13. Тепловозы, электровозы — основные виды локомотивов во второй половине XX вв.

Тепловоз – автономный локомотив, первичным двигателем которого является двигатель внутреннего сгорания, обычно дизель.

Принцип работы тепловоза

Двигатель внутреннего сгорания преобразует тепло дизельного топлива в механическую энергию коленчатого вала, вращающего якорь генератора постоянного или переменного тока, который подается к тяговым электродвигателям, приводящим во вращение колесные пары.

История создания тепловоза

Двигатели внутреннего сгорания (газовые) появились в конце XIX века. Первым тепловозом считают вагон-газоход, курсировавший на Дрезденской городской железной дороге в Германии в 1892 г. Мощность его двигателя составляла 7,35 кВт (10 л.с.). Были попытки использования бензиновых двигателей.

В 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель (1858–1913) взял патент, в 1897 г. построил первый двигатель внутреннего сгорания  – двигатель с воспламенением от сжатого воздуха, вспрыснутого прямо в цилиндр с тяжелым топливом. Двигатель имел мощность 14,7 кВт (20 л.с.), его коэффициент полезного действия превышал КПД паровых машин. Этот экономичный, компактный, простой по устройству двигатель, названный именем Р.Дизеля, получил широкое распространение, в том числе и на транспорте.

В 1908 г. Р.Дизель спроектировал тепловоз – локомотив мощностью около 1000 л.с., приводимый в движение изобретенным им двигателем. В 1912 г. в Швейцарии были проведены испытания первого тепловоза мощностью 705 кВт (960 л.с.), созданного Дизелем и Клозе.

В 1913 г. в Германии на линии Берлин – Мансфельд тепловоз пытались использовать для движения пассажирского поезда. Испытания показали необходимость создания специальной тяговой передачи между двигателем и движущими колесами, т.е. специального промежуточного устройства для передачи вырабатываемой двигателем энергии колесным парам. Тепловозы начали проектировать и строить с механической, электрической, позднее гидравлической, газовой и другими типами передач.

В годы первой мировой войны во Франции были построены узкоколейные тепловозы мощностью 88 кВт (120 л.с.) с электрической передачей, в США заводом Болдуина – с механической передачей автомобильного типа.

Развитие тепловозной тяги

Тепловозная тяга стала внедряться на железных дорогах мира с 1920-х гг. В 1922 г. был построен шведский узкоколейный тепловоз мощностью 88 кВт.

В 1924 г. в СССР был создан магистральный тепловоз ГЭ1 (Щэл 1) системы Я.М. Гаккеля мощностью 735 кВт (1000 л.с.) с электрической передачей. Одновременно в Германии по проекту русских инженеров под руководством Ю.В. Ломоносова был построен тепловоз Ээл2 мощностью 880 кВт (1200 л.с.) с электрической передачей. Эти локомотивы и тепловозы Эмх3 с механической передачей в 1927 г. поступили в эксплуатацию на сеть советских железных дорог, работали на Ашхабадской железной дороге.

В 1930-е гг. тепловозная тяга получила все большее распространение в связи с изобретением гидравлической передачи, на которую в 1932 г. получил патент Феттингер. В США работали тепловозы средней мощности 400 кВт (540 л.с.), маневровые мощностью 220 кВт (300 л.с.), пассажирские тепловозы. В 1940 г. появились первые многосекционные грузовые и универсальные (для грузовой и пассажирской службы) тепловозы, мощность секции с одним дизелем которых составляла 990 кВт (1350 л.с.).

Широкое внедрение тепловозной тяги проходило после II мировой войны. Железные дороги США практически полностью перешли на тепловозную тягу. Значительной была доля тепловозов в работе железных дорог ряда стран Европы.

В СССР с начала 1950-х гг. по программе  реконструкции тяги на железнодорожном транспорте был увеличен выпуск тепловозов. Появились тепловозы ТЭ1 мощностью 735 кВт (1000 л.с.) и 2-х секционные тепловозы ТЭ2 мощностью 1470 кВт (2000 л.с.). С сер. 1950-х гг. началось серийное производство 2-х секционного тепловоза ТЭ3 мощностью 2940 кВт (4000 л.с.). В 1957 – 1970 гг. были разработаны десятки типов тепловозов, построены 15 образцов опытных локомотивов. Среди них магистральные и маневровые тепловозы с электрической передачей ТЭ10, ТЭ50, ТЭ10Л, ТЭП60 и др.; с гидравлической передачей – ТГМ2, ТГ100,ТГП60 и др. В 70-е гг. были построены тепловозы 2ТЭ121 с электрической передачей переменно-постоянного тока мощностью 2940 кВт (4000 л.с.).

Существенной переработке подвергались конструкции водяной и масляной систем охлаждения тепловозных дизелей, системы охлаждения электрических машин, вспомогательное оборудование, другие агрегаты и узлы тепловозов.

С 1980-х гг. выпускались 8-осный тепловоз ТЭ136, 9-осный тепловоз ТЭ126 (их мощность 4412 кВт – 6000 л.с.); пассажирские 6-осные тепловозы ТЭП60 мощностью 2200 кВт (3000 л.с.) и ТЭП70 мощностью 2940 кВт (4000 л.с.) с конструкционной скоростью 160 км/час.

В начале 2000-х гг. были разработаны и поставлены на железные дороги России:

магистральные грузовые тепловозы серий 2ТЭ25А «Витязь», 2ТЭ25К «Пересвет» секционной мощностью 6000 л.с., двухдизельный маневровый тепловоз ТЭМ14.

Технические преимущества тепловозов

По сравнению с паровозами тепловозы более экономичны, позволяют при эксплуатации увеличить массу поезда, сократить простой в ремонте, повысить производительность труда. Современные тепловозы имеют энергетическую эффективность (к.п.д.) 30 – 35% (среднеэксплуатационную – около 25%).

По сравнению с электровозами тепловозы являются автономными локомотивами.

Тепловозы получили наибольшее распространение на мировой сети железных дорог, в т.ч. в США, странах Западной Европы, СССР (наст. время России, СНГ).

Более 1 млн. км магистральных железных дорог мира обслуживаются тепловозами.

Непрерывно растущие требования повышения массы поездов и скоростей их движения определяют потребность создания все более мощных локомотивов, перевод их на альтернативные виды топлива, например газ.

Развитием направления использования газомоторного топлива стало создание российского маневренного газотепловоза ТЭМ19–001 мощностью 1000 кВт с газопоршневым двигателем на сжатом природном газе. Проблемы повышения массы поездов и скоростей решаются при применении в локомотивостроении газотурбинных двигателей.

Газотурбовоз – автономный локомотив, у которого основным силовым двигателем служит газовая турбина.

Краткая история создания газотурбовоза

Первые газотурбовозы были созданы в Швейцарии (1941 г.), США (1948 г.). В 1950-е гг. газотурбовозы были изготовлены в Великобритании, Швеции, Чехословакии.

Наибольший опыт эксплуатации газотурбовозов принадлежит дороге Юнион-Пасифик в США, где начиная с 50-х гг. успешно работали 25 локомотивов мощностью 3500 кВт (4800 л.с.), затем 30 – мощностью 6250 кВт (8500 л.с.), 2-хсекционные газотурбовозы мощностью 7865 кВт (10700 л.с.) возили поезда массой 10-12 тыс. т.

В СССР первый опытный образец газотурбовоза был создан и начал эксплуатироваться в 1965 г. в депо Льгов Московской ж.д. Первый локомотив с газотурбинным двигателем мощностью 2570 кВт (3500 л.с.) был построен в Коломенским тепловозостроительным заводом в 1959 г., эксплуатировался в депо Кочетовка Юго-Восточной ж.д. до 1965 г.

В 1960-е гг. в США, Великобритании, Франции, Канаде и Японии уделялось внимание созданию газотурбовозов для высокоскоростного пассажирского движения.

Наступивший в начале 1970-х г.г. энергетический кризис и резкое подорожание всех видов нефтепродуктов стали основной причиной прекращения работы в области газотурбинных локомотивов.

Перспективы использования газотурбовозов

Газотурбинный двигатель имеет преимущества перед двигателем внутреннего сгорания по массе, размерам, принципу работы, надежности и внешним характеристикам.

В последующие годы экономичность создаваемых транспортных газовых турбин возрастала, в настоящее время приблизилось к 32-34%, т.е. достаточно близка к КПД современных дизелей.

В 2008 г. в России был создан газотурбовоз ГТ1 мощностью 8300 кВт. Газотурбовоз работает на сжиженном природном газе, используя топливо, отвечающее европейским экологическим стандартам «евро-4», проводит составы из более 100 вагонов весом 10 тыс. тонн. В 2013 г. был изготовлен второй промышленный образец газотурбовоза ГТ1h. Российские газотурбовозы ГТ1h–001 и ГТ1h–002 не имеют аналогов в мире.

Опыт работы газотурбовозов показал перспективы их использования:

 возможность получения высокой мощности;

 целесообразность эксплуатации на грузонапряженных линиях в северных районах при низких температурах.

Намечаемые полигоны работы газотурбовозов – линии Новый Уренгой – Сургут – Тюмень, в перспективе – Байкало-Амурская магистраль. До 2020 г. в компанию «РЖД» должны поступить 40 магистральных газотурбовозов.

Электровоз  – неавтономный локомотив, приводимый в движение установленными на нем тяговыми электродвигателями.

Принцип действия электровоза

Тяговый электродвигатель получает энергию из внешней энергосистемы. Эта энергия подводится от электростанций к железной дороге по высоковольтным линиям электропередачи, а к электроподвижному составу –  по контактной сети. Обратной цепью служат рельсы и земля. Электродвигатель может получать энергию от установленной на локомотиве аккумуляторной батареи. Тяговый электродвигатель приводит во вращение колесные пары подвижного состава.

История создания электровоза и электрификации железных дорог

Первые попытки использования электрической энергии для тяги поездов относятся к концу 70-х гг. XIX века. Большой вклад во внедрение электрической тяги внес Эрнст Вернер фон Сименс (1816-1892), немецкий электротехник, изобретатель и предприниматель, основатель и владелец крупных электротехнических концернов. Совершенствуя электромашины, Сименс в 1865 г. создал электрическую машину, названную вначале генератором, позже динамомашиной, которая благодаря свойству самовозбуждения могла работать как мотор и служить для электрической тяги.

В 1879 г. Вернер Сименс создал и совместно с механиком Хальске построил электрический локомотив – электровоз, напоминавший современный электрокар. На электровозе был установлен электродвигатель постоянного тока мощностью 9,6 кВт. Электрический ток напряжением 150 Вольт передавался к двигателю по контактному рельсу, обратным проводом служили рельсы, по которым двигался поезд.

Днем рождения электрической тяги принято считать 31 мая 1879 г. – на промышленной выставке в Берлине Сименс продемонстрировал построенную им электрическую железную дорогу длиной 300 м. Электровоз, на котором восседал машинист, вез 3 вагончика с 18 пассажирами-посетителями выставки – со скоростью 7 км/ч. Дорога пользовалась огромным успехом. За время работы выставки «Поезд Сименса» перевез 86 тыс. пассажиров, показав пригодность и эффективность электрической тяги.

Успех электровоза Сименса позволил перейти к практическому применению электрической тяги. В 1881 г. Сименс построил в Берлине первую в мире городскую электрическую дорогу, по существу трамвай, в 1889 г. – железную дорогу Берлин – Лихтерфельд. В 1882 г. фирма создала первый в мире образец безрельсового электрического транспорта – троллейбус – и построила троллейбусную линию в пригороде Берлина. В 1891 г. в Германии (г. Хале) был введен в эксплуатацию трамвай с воздушным контактным проводом. С начала 1880-х годов фирма, став мировым лидером в области электротехники и электрической тяги, построила городские электрические железные дороги в Германии и других странах.

В России идею использования электрической энергии для тяги рельсового транспорта осуществил Ф.А. Пироцкий: в 1880 г. в Петербурге на рельсовом пути был испытан вагон с электрическим приводом – прототип современного трамвая, вмещавший 40 пассажиров.

В 1880 г. в США знаменитый электротехник Томас Алва Эдисон, разработал конструкцию своего электровоза, в 1882 г. испытал его на железной дороге Нортен – Пасифик.

Электрическая тяга сначала применялась на городских трамвайных линиях, на промышленных предприятиях, особенно на рудниках и угольных копях, затем на перевальных и тоннельных участках железных дорог, а также в пригородном движении.

В 1895 году в США для электрифицированного тоннеля в Балтиморе и тоннельных подходов к Нью-Йорку был построен электровоз «Единство» мощностью 185 кВт (200 л.с.) со скоростью 90 км/ч. В начале 1900-х гг. в США на пригородных путях появились электропоезда, состоявшие из моторных и прицепных вагонов – настоящие электрички.

В конце XIX века на электрическую тягу перевели метрополитены – городские внеуличные (подземные и надземные) железные дороги: подземном метро в Лондоне (построено на паровой тяге в 1863 г.) и надземный метрополитен в Нью-Йорке. В 1896 г. был построен метрополитен в Будапеште, в 1900 г. –  в Париже, в начале 1900-х гг. – в Берлине, Мадриде, Чикаго, Филадельфии, Мехико, Буэнос-Айресе и других городах. На линиях метрополитенов использовались моторные вагоны, приводившиеся в движение тяговыми двигателями.

После первой мировой войны во многих странах мира электрическая тяга получила распространение на магистральных линиях с большой плотностью движения, в странах, имевших сложный горный рельеф – в Германии, Австрии, Франции, Швейцарии и др.

Поскольку передача электрической энергии на расстояние является довольно сложной и дорогостоящей, в разные годы многие изобретатели стремились использовать для тяги аккумуляторные источники питания. Энергия поступала от аккумуляторных батарей, размещенных в специальном вагоне. В 1887 г. впервые были применены подвагонные электрические батареи. Моторвагонный подвижной состав с аккумуляторами использовался в Германии с 1890-х до 1960-х гг.

В СССР электрификация железных дорог началась в 1920-е гг. В 1926 г. было открыто движение электропоездов на участке между Баку и нефтепромыслами Сабунчи, в 1932 г. – на магистральном участке Хашури – Зестафони через Сурамский перевал на Кавказе. Выпуск отечественных электровозов и оборудования был налажен в 1930-е годы.

В 1932 г. был построен первый отечественный магистральный 6-осный электровоз ВЛ19 (ВЛ – Владимир Ленин) для равнинных дорог. Электровоз развивал скорость до 90 км/ч. Для железных дорог с горным профилем поставлялись электровозы серии СС.

В 1934 г был выпущен первый пассажирский электровоз ПБ (Политбюро), в то время самый мощный электровоз (2040 кВт), развивал скорость 85 км/ч.

В пригородном движении использовались мотор-вагонные поезда серии СЭ, состоявшие из одного моторного и 2-х прицепных вагонов.

В конце 1930-х гг. в СССР было электрифицировано более 1900 км путей.

Работы по электрификации железных дорог были продолжены после Великой Отечественной войны. Рекордными по темпам электрификации были 1960-е годы – введено в эксплуатацию 20 тыс. км электрифицированных линий. К началу 1991 г. общая протяженность электрифицированных железных дорог СССР составила 54,3 тыс. км (первое место в мире по протяженности электрифицированных линий).

В начале 2000-х гг. в России протяженность электрифицированных железных дорог составляет 40,3 тыс. км.

Общая протяженность электрифицированных линий в мире в конце 1980-х гг. составляла около 100 тыс. км, в начале 2000-х гг. – достигла 200 тыс. км. Это наиболее грузонапряженные линии, горные участки с крутыми подъемами и многочисленными кривыми участками пути, пригородные узлы больших городов с интенсивным движением электропоездов, высокоскоростные магистрали.

Совершенствование техники электрических железных дорог

За время существования электрических железных дорог при сохранении принципа действия электровоза коренным образом изменялись техника электрических железных дорог, механическое и электрическое оборудование.

Применяются три системы электрической тяги:

1) постоянного тока,

2) переменного тока пониженной частоты,

3) переменного тока стандартной промышленной частоты 50 Гц.

До второй мировой войны применялись две первые системы, третья получила распространение в 1950-х – 60-х гг., когда началось интенсивное развитие преобразовательной техники и систем управления приводами.

В системе постоянного тока к токоприемникам подвижного состава подводится ток напряжением 3000 В (в некоторых странах 1500 В). Такой ток обеспечивают тяговые подстанции, на которых переменный ток высокого напряжения общепромышленных систем понижается до нужного значения и выпрямляется мощными полупроводниками выпрямителями. Система постоянного тока получила широкое распространение во многих странах мира.

Достоинством системы постоянного тока  в то время была возможность применения коллекторных двигателей постоянного тока, обладающих превосходными тяговыми и эксплуатационными свойствами.

К числу ее недостатков относится сравнительно низкое значение напряжения в контактной сети, ограниченное допустимым значением напряжения двигателей, По этой причине по контактным проводам передаются значительные токи, вызывая потери энергии и затрудняя процесс токосъема в контакте между проводом и токоприемником.

Простота конструкции электровозов постоянного тока имела решающее значение для широкого использования системы постоянного тока во многих странах, в т.ч. на железных дорогах СССР. Построенные в 1930-е гг. электровозы серий ВЛ19, ПБ21-01, СС и др.  – это электровозы постоянного тока.

В послевоенные годы были созданы электровозы постоянного тока серии ВЛ22. В 1950-е и начале 60-х гг. выпускался более мощный 8-осный 2-секционный электровоз постоянного тока ВЛ8, затем – серии ВЛ10.

Применение и развитие системы переменного тока было вызвано стремлением поднять напряжение в контактной сети и исключить из системы электрического питания процесс выпрямления тока. В странах Европы (ФРГ, Швейцария, Норвегия, Швеция и др.) использовалась система переменного тока напряжением 15000 В, имеющая пониженную частоту 16,6 Гц.

С 1960-х гг. в СССР и Франции создавалась новая более экономичная система электрической тяги переменного тока промышленной частоты 50 Гц с напряжением в тяговой сети 25000 В. Для новых линий были созданы 6-осные электровозы ВЛ60, с ртутными выпрямителями, затем 8-осные электровозы ВЛ80, ВЛ80с с полупроводниковыми преобразователям. Во всем мире электрификация железных дорог развивается по системе переменного тока промышленной частоты.

Научно-техническая революция отразилась на конструкции электровозов и электропоездов. Новый электроподвижной состав изменился конструктивно и внешне. Увеличилось число осей у локомотивов.

Наиболее существенные изменения произошли в механическом и электрическом оборудовании. Созданы 8-осные ВЛ80Р и 12-осные ВЛ85 – электровозы переменного тока, отличающиеся высокими тяговыми и тормозными характеристиками.

В 1980-е гг. были разработаны конструкции мощных 2-х секционных 12-осных электровозов переменного тока ВЛ75 и постоянного тока ВЛ15, предназначенные для вождения тяжеловесных поездов на особо грузонапряженных участках; скоростной электропоезд ЭР200.

В начале 2000-х гг. были разработаны локомотивы новых серий, это:

 скоростной мультисистемный пассажирский электровоз ЭП20;

 грузовой электровоз с асинхронным тяговым приводом 2ЭС10 «Гранит» (мощность 8800 кВт, максимальная скорость 120 км/ч).

 Электровоз «Гранит» построен на заводе «Уральские локомотивы» – совместном предприятии ЗАО «Группа Синара» и концерна «Сименс АГ»,

Собственный КПД электровозов достигает 88-90 % при общем КПД электрической тяги (с учетом КПД ТЭЦ или ГЭС, тяговых подстанций, линий электропередачи и контактной сети) 22-24 %.